книги из ГПНТБ / Иванов Б.А. Безопасность применения материалов в контакте с кислородом

Для многих газовых смесей критерий Шмидта Sm постоянен и близок к единице [5]. При Sm = 1 [5, 24] коэффициент кинема­

тической вязкости v = -jj—— D, а. критерий St = Cfl2.

Если наблюдается обтекание различных тел внешним потоком газа, то коэффициент вязкого трения является функцией критерия Рейнольдса Re, определяемого по скорости потока и характерному геометрическому размеру тела. Критерий Re нахо­

Универсальной аналитической зависимости Cf от Re не имеется, однако эту зависимость можно аппроксимировать [24] степенной зависимостью вида

где | и v — положительные постоянные.

Подставляя уравнения (1.30) и (1.32) в формулу (1.29) и пере­ ходя от плотности смеси р к давлению р, получим:

где Mo — масса 1 моль смеси вне пограничного слоя.

Примем, что потухание в рассматриваемой системе металл — кислород происходит при некотором предельном (постоянном)

значении теплового потока qa = q°р (и л и сответственно qki =

= q^v), не зависящем от диаметра образца, а также от скорости потока кислорода, давления в смеси и концентрации кислорода в смеси. Тогда из формулы (1.19) следует, что предельная (мини­ мальная) скорость распространения горения по образцу посто­ янна (U = Unр), а из формулы (1.33) следует, что

30

Отсюда предельное (минимальное) давление р пр, при котором происходит потухание, равно

При отсутствии внешнего потока кислорода (и = 0) по фор­ мулам (1.33)—(1.35) можно установить зависимость скорости

диффузия кислорода к поверхности горения обусловлена главным

Анализируя формулу (1.36), можно увидеть, что если коэффи­ циент а постоянен, то при любом показателе степени в зависимости коэффициента массообмена от скорости потока (1.32) скорость распространения горения обратно пропорциональна диаметру

<?о определяется показателем степени у, величина которого также определяет зависимость предельного давления потухания рпр от

Y 0 , Q 0 -

Оценивая область изменения Re при различных р, U, d, кото­ рые соответствуют наиболее распространенным условиям горения материалов в кислороде, получаем, что Re = 5—150. В указан­ ном интервале чисел Рейнольдса зависимость Cf от Re выражается уравнением вида (1.32), причем для некоторых тел (шар, цилиндр и т. п.) у = 2/3, a g = 22,5 [24]. Таким образом, формулы (1.36)— (1.38) могут быть записаны в следующем виде

Рассматривая формулу (1.39) при условиях потухания и сопо­ ставляя ее с формулой (1.40), находим, что предельная скорость

31

распространения горения С/Пр связана с постоянными а и b сле­ дующим образом

кислорода. При скоростях потока кислорода v, значительно

Из формулы (1.33) следует, что при скоростях потока кисло­ рода, совпадающих по направлению и сравнимых со скоростями распространения горения, минимальное значение скорости горе­ ния должно наблюдаться при v U, а предельное давление р пр при этом должно быть максимальным. При v — 2U р пр в потоке должно равняться р пр в покоящемся кислороде. При обратном потоке U непрерывно возрастает с увеличением v.

Экспериментальную проверку полученных зависимостей про­ водили в работе [23]. Исследовали скорость горения и предель­ ные давления при горении в кислороде образцов из сталей Х18Н9Т

ванных металлов зависимость скорости горения в достаточно широком интервале изменения р и d хорошо описывается форму­ лой (1.39). Отклонения от зависимости (1.39) для сталей Х18Н9Т и 3X13 начинаются в области давлений 70, 90 и 105 кгс/см2 соот­

во всем изученном интервале давлений (до 400 кгс/см2).

При обработке экспериментальных данных, приведенных на

32

При горении образцов d = 3 мм из сталей Х18Н9Т и 3X13 в потоке кислорода экспериментальные данные по зависимости

(рис. 1.12) и р пр — v~x. Таким образом, предположение о постоян­ стве теплового потока (qa или qa) при условии потухания хорошо подтверждается экспериментальными данными.

При больших скоростях потока скорость диффузии кислорода через пограничный слой газа велика (особенно с переходом в тур­ булентную область) и скорость горения контролируется скоростью более медленных процессов, например скоростью растворимости металлов и окислов, которая не зависит от скорости потока. Поэтому увеличение скорости потока может вследствие увеличения теплопотерь привести к потуханию. Отсюда следует, что при больших скоростях потока предельные давления могут возрастать.

Таким образом, теоретические зависимости, получаемые на основе изложенной выше физической модели распространения горения по горизонтально расположенным цилиндрическим образ­ цам из металлов, находятся в хорошем соответствии с экспери­ ментальными данными.

Процесс распространения горения по вертикально располо­ женному образцу с поджиганием снизу (см. рис. 1,9, б) обладает

векции. Поэтому получение зависимости скорости распростране­ ния горения от давления кислорода и диаметра образца в этом случае затруднительно.

Рассмотрим горение в условиях, когда скорость естественной конвекции много больше вынужденной. В этом случае коэффи­ циенты тепло- и массообмена зависят [24] от критерия Грасгофа

где а постоянная.

34

Таким образом, при горении вертикально расположенного образца металла зависимость U от р остается такой же, как

Рис. 1.12. Зависимость предельных давлений кислорода рпр, при которых возможно горение образцов металлов d = 3 мм, от скорости потока (сплош­ ная кривая — расчет по формуле рПр = 0,08 г '1).

и в случае горизонтального расположения образца, т. е. U — р 0'5. Однако зависимости рпр и U от d [см. также уравнения (1.39)

и (1.40)] имеют следующий вид:

Экспериментальные данные (с. 100), полученные для верти­ кально расположенных образцов, однако, не подтверждают зави­ симости (1.56), полученной с учетом влияния только естественной конвекции. Анализ экспериментальных данных показывает, что зависимости U и р пр от d являются промежуточными между зави­ симостями, выведенными с учетом только естественной и только вынужденной конвекции. Например, предельные давления р пр при

при учете только вынужденной конвекции. Скорости горения U уменьшаются примерно обратно пропорционально диаметру U — ~ d-1, т. е. зависимость U от d такая же, как и при горизонталь­ ном расположении образца.

На основании изложенного можно заключить, что для построе­ ния модели горения вертикально расположенных образцов необ­ ходимо учитывать совместное влияние вынужденной и естествен­ ной конвекции на диффузию и теплообмен в зоне горения.

По-видимому, действие естественной конвекции преобладает при больших диаметрах образцов, когда скорости распростране­ ния горения малы. При уменьшении диаметра образца скорость горения увеличивается и скорость газа v' может компенсировать конвективную скорость vK. Вследствие снижения и0Т1, происходит

Очевидно, что если тепловой поток gJP будет непрерывно поступать не от горящей капли, а от какого-либо постороннего источника, то он также будет являться предельным (минимальным) тепловым потоком, обеспечивающим распространение горения. Предельная энергия Qnp, передаваемая через площадь поверх­ ности оплавления F„ за период образования и срыва капли т, равна

При известных параметрах АН , Unp, % по формуле (1.58) можно проводить сравнительные оценки минимальных энергий, необходимых для поддержания распространения горения по образцам различных металлов в различных условиях, а также минимальных энергий, необходимых для поджигания различных

металлов.

Описанные в данном подразделе некоторые наблюдаемые при горении металлов критериальные зависимости между парамет­ рами, характеризующими материал (U, d, АН, Q и др.), и пара­

36

Г Л А В А 2

ПРИМЕНЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ В КОНТАКТЕ С КИСЛОРОДОМ. ОЦЕНКА ОПАСНОСТИ И ПРИНЦИПЫ КЛАССИФИКАЦИИ

При создании кислородного оборудования необходимо соблюдение определенных правил, которые обеспечивают его безопасную эксплуатацию. До настоящего времени в нашей стране и за рубежом не были разработаны общие требования к примене­ нию материалов в кислородном оборудовании. В значительной степени это объясняется тем, что само понятие «опасность» трак­ туется различно: опасным называют оборудование, в котором возможно образование горючих или взрывчатых систем, в котором имеются горючие системы, в котором могут быть опасными послед­ ствия горения или взрыва.

Очевидно, что при этом оказываются различными как методы оценки опасности, так и принципы классификации материалов по опасности.

Данная глава посвящена анализу состояния проблемы без­ опасности применения материалов в контакте с кислородом и обоснованию принципов оценки опасности и принципов классифи­ кации материалов.

2.1. ПРИМЕНЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ В КОНТАКТЕ С КИСЛОРОДОМ

Известно [1, с. 693; 2, с. 5], что на объектах производства и потребления, а также на линиях транспортирования кислорода происходят взрывы и загорания. В развитых промышленных странах ежегодно случается по нескольку крупных аварий раз­ личного кислородного оборудования, убытки от которых значи­ тельны. При этом нередки случаи травматизма и человеческих жертв. Число мелких загораний и взрывов значительно больше, однако их действительное количество трудно установить.

Очевидно, что аварии имеют вполне определенные и объек­ тивные причины. Для того, чтобы авария совершилась, необхо­ димо совпадение по месту и времени иногда нескольких совер­ шенно случайных явлений. Для осуществления такого совпадения требуется время, часто весьма значительное.

По мере увеличения применения кислорода в промышленности и расширения его производства число аварий увеличивалось. Естественно, что неоднократно предпринимались попытки уста­ новить их причины. Для этого создавались определенные предпо-

38

ложения о возможных причинах аварии и проводились соответ­ ствующие научные исследования.

Иногда пожаро- и взрывобезопасность эксплуатации оборудо­ вания не отделяли от работоспособности. Например, для уста­ новления пожаробезопасности эксплуатации компрессора прове­ ряли его работоспособность на возможных технологических режи­ мах. Ясно, что испытаниями, особенно кратковременными, могут быть выявлены только грубейшие нарушения или дефекты кон­ струкции и изготовления.

Рассмотрим другой характерный пример. Для определения совместимости смазки ЦИАТИМ-221 с кислородом небольшое

в течение нескольких часов смазка не взорвалась и практически не изменила своих химических и смазочных свойств. Поэтому был сделан вывод о возможности ее безопасного применения в кисло­ роде при указанных параметрах. Ясно, что этими испытаниями

Действительно, при использовании смазки ЦИАТИМ-221 в кис­ лородном оборудовании произошло несколько сильных взрывов. Исследованиями [3] было показано, что смазка может гореть на воздухе и в кислороде при атмосферном давлении, а также дето­ нировать при невысоких давлениях кислорода.

В настоящее время считают, что для обеспечения безаварийной эксплуатации кислородного оборудования требуется выявление и, следовательно, ликвидация возможных источников зажигания. Соответственно научные исследования направляются на изучение потенциальных источников зажигания материалов и методов их устранения [4—7]. Появляются многочисленные измерения энер­ гии зажигания, чувствительности материалов к воздействию удара

вжидком кислороде и воздействию ударных волн и волн сжатия

вгазообразном кислороде, температур воспламенения и др. Раз­

рабатываются основанные на измерении этих величин классифи­ кации веществ и материалов, нормирующие требования к условиям их безопасного применения [8—12]. Например, энергия зажига­ ния одного материала в несколько раз меньше, чем у другого. Ясно, что с учетом только энергии зажигания первый материал кажется более опасным при применении и его следует отнести к категории более опасных материалов. Именно так и построена классификация опасности газовых взрывчатых смесей, описанная в работе [9].

Однако можно привести примеры, показывающие, что опас­ ность, оцененная по какому-либо одному параметру, не обяза­ тельно отражает истинную опасность материала. Известно, что температура самовоспламенения Тсв многих порохов и ВВ зна­ чительно выше, чем Тсв смазок, минеральных масел, большинства неметаллических конструкционных и уплотнительных материалов

39